摘要：為解決公路隧道照明在運營期能耗高且無法實時動態(tài)反映能耗水平的問題，通過參考建筑能耗評價相關研究，建立了運營公路隧道照明能耗水平動態(tài)評價模型。首先，根據(jù)能耗影響因素選取評價指標；其次，將指標進行動靜態(tài)分類，并依據(jù)規(guī)范和經(jīng)驗劃分各指標的分級判定標準；然后，采用層次分析法，計算各層次中的指標權重；最后，采用模糊統(tǒng)計法和柯西分布函數(shù)計算各指標的隸屬度，建立模糊綜合評價模型，通過置信度識別原則確定能耗水平。

關鍵詞：隧道照明；能耗動態(tài)評價；層次分析法；模糊綜合評價法；運營公路

中圖分類號：U453.7""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673?6478（2023）04?0205?07

Dynamic Evaluation of Lighting Energy Consumption Level of Operating Highway Tunnels Based on AHP?FCE

TANG Mingxu WANG Yaqin LI Ming JIANG Yajun LIU Sha

（1. Hechi Expressway Operation Co.， Ltd.， Guangxi Communications Investment Group， Hechi Guangxi 547000， China; 2. Jilin Jianzhu University， Changchun Jilin 130118， China; 3. Southwest Jiaotong University， Chengdu Sichuan 610031， China; 4. Dalian University of Technology， Dalian Liaoning 116081， China）

Abstract： In order to solve the problem that the high energy consumption of highway and tunnel lighting during the operation period cannot reflect the energy consumption level dynamically in real time， a dynamic evaluation model for the energy consumption level of operating highway tunnel lighting was established by referring to the relevant research on building energy consumption evaluation. Firstly， the evaluation index was selected according to the influence factors of energy consumption. Secondly， the indicators were classified into static categories of actions， and the criteria for the classification of indicators were divided according to norms and experience. Then， using the analytic hierarchy process （AHP）， the index weights in each level were calculated. Finally， the membership degree of each index was calculated by using fuzzy statistics and Cauchy distribution function， and a fuzzy comprehensive evaluation model is established. The energy consumption level was determined by the principle of confidence degree identification.

Key words： tunnel lighting; dynamic evaluation of lighting energy consumption; analytic hierarchy process; fuzzy comprehensive evaluation method; operating highway tunnel

0 引言

近年來，中國運營公路隧道的能耗問題日漸顯現(xiàn)，尤其是以隧道照明電能消耗為主[1]。但是，我國尚未發(fā)布公路隧道照明能耗水平評價的統(tǒng)一參考標準，造成相關企業(yè)的節(jié)能改造工作難以進行。

目前在公路隧道照明節(jié)能領域，國內外學者主要關注其結構性節(jié)能[2?3]和技術性節(jié)能[4?7]，對于管理性節(jié)能的能耗評價還處于初步探索階段，相關的基礎研究不成熟，同時缺乏相關的實例作為數(shù)據(jù)支撐。王少飛等[8?9]依托公路隧道節(jié)能減排的影響因素，使用定性與定量結合的方法，建立了高速公路隧道運營節(jié)能減排的指標評價體系。陳云勇等[10]提出了長大隧道通風和照明的聯(lián)合節(jié)能指標?空氣通透率。李沛沛等?[11]從隧道照明能耗、通風能耗、節(jié)能技術和隧道運營管理四個方面出發(fā)，總結了隧道節(jié)能績效評價體系。貢松多吉等[12]進一步細化隧道運營的相關指標，將其分化到基礎指標、能耗指標、交通功能、能效指標、交通安全和經(jīng)濟效益六個層面，以西藏拉貢機場高速公路（G4218）嘎拉山隧道運營期能耗作為數(shù)據(jù)支撐，建立了公路隧道運營期能耗監(jiān)測指標體系。雖然上述文獻對運營公路隧道能耗評價進行了有益的探索，但缺乏動態(tài)實時性，且未針對隧道照明系統(tǒng)提出具有可操作性的方法，因此評價方法的選擇與評價系統(tǒng)的構建仍需要進一步探討。

層次分析法（Analytic Hierarchy Process， AHP）和模糊綜合評價法（Fuzzy Comprehensive Evaluation， FCE）在建筑節(jié)能方面的成熟運用，證明了這兩種方法在建筑節(jié)能評價體系的可行性。本文將其創(chuàng)新延伸到公路隧道照明節(jié)能領域，基于廣西某高速公路的隧道基礎資料，構建了以AHP確定權重，將評價指標進行動靜態(tài)分類并確定分級標準，并通過FCE確定運營公路隧道照明能耗水平的綜合評價體系。最后使用汕昆高速公路（G78）河池段凹垌隧道驗證本文建立的綜合評價指標體系的可行性和適用性，為運營公路隧道照明能耗評價研究提供借鑒。

1 構建評價指標體系及評價標準

1.1 確定評價指標體系

按照定性與定量相結合的思想，遵循層次性、系統(tǒng)性、有效性、可計量性等原則，考慮獲取數(shù)據(jù)的便利性、重要性、可簡化性等方面，同時考慮保證交通安全，要在安全運營的前提下進行照明能耗評價（各項相關技術指標應符合JTG/T D70/2?01—2014《公路隧道照明設計細則》[13]等的要求）。在查閱資料、實地調研、現(xiàn)場測試的基礎上，選擇從土建特征、照明設施、交通環(huán)境、運營管理4個方面展開研究，最終確定了13個指標作為運營公路隧道照明能耗水平評價指標，如圖1所示。

（１）土建特征

主要包括洞口形式、墻面反射系數(shù)、隧道通透率?[14]這3個指標。對一個隧道的能耗水平進行評價，應著重于在同等長度、車道數(shù)等客觀條件下相似隧道的評價。

①洞口形式。隧道洞門若采用削竹式或遮光棚，有利于節(jié)能。

②墻面反射系數(shù)。隨著墻面反射系數(shù)的增加，路面增亮效果加大，有利于隧道節(jié)能。

③隧道通透率。通透率表示隧道光線穿透能力，通透率越好，照明能耗越小。

（２）照明設施

主要包括照明布燈方式[15?16]、照明燈具光強分布、照明燈具光效、照明控制方式4個指標。

①照明布燈方式。不僅要考慮燈具效能的發(fā)揮，還要同時考慮維護維修的便利性。

②照明燈具光強分布。不同的照明燈具光強分布對路面亮度影響較大，合理選擇燈具的配光曲線，有利于照明節(jié)能。

③照明燈具光效，是衡量其隧道照明光源效率優(yōu)劣的指標。優(yōu)先選用LED光效高的燈具作為照明光源，以加強隧道照明節(jié)能性，減輕運營成本。

④照明控制方式。采用按需控制[17]實時調整照明系統(tǒng)，減少不必要的浪費。

（３）交通環(huán)境

包括洞外亮度、交通量2個指標。

①洞外亮度。對于沒有動態(tài)調光的隧道來說，洞外亮度參數(shù)取值不當，會造成運營中能耗的巨大浪費；對于有動態(tài)調光的隧道來說，洞外亮度低，需要的照明就少，洞外亮度高，就需要更高的照明條件滿足行車需要。

②交通量。對于沒有動態(tài)調光的隧道，尤其初期，交通量預測值與實際值的誤差越大，能耗浪費越多；對于有動態(tài)調光的隧道，交通量的大小直接影響照明所需要的規(guī)模，交通量越大，能耗越大。

（４）運營管理

包括日常節(jié)能管理規(guī)章制度、燈具清潔頻率、節(jié)能宣傳及培訓情況、能耗的智能監(jiān)測4個指標。

①日常節(jié)能管理規(guī)章制度的制訂，是進行節(jié)能管理工作的基礎，以保障節(jié)能管理工作有依有?據(jù)。

②燈具清潔頻率，主要是考察燈具清潔頻率是否有利于隧道照明節(jié)能。

③節(jié)能宣傳及培訓情況，主要考察隧道運營管理的工作人員受節(jié)能培訓的程度，提高節(jié)能減排意?識。

④能耗的智能監(jiān)測，主要考察能否獨立計量每座隧道、各能耗設備的分項耗能情況以及自動監(jiān)測情?況。

1.2 指標動靜態(tài)分類與分級標準

為提高評價的準確性和合理性，將指標進行動靜態(tài)歸類，隨時間相對變化的指標為動態(tài)指標，包括洞外亮度、交通量；基本不變的指標為靜態(tài)指標。對于指標分級標準，結合實地調研，參照《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2?01—2014），并運用專家訪談法進行論證。因此，全部指標劃分為5個等級并確定各指標值范圍，如表1所示。

2 確定評價指標權重

2.1 層次分析法

AHP是一種解決多目標問題的研究方法，能統(tǒng)一處理定性和定量指標，用決策者的經(jīng)驗判斷各指標的相對重要程度，進而計算權重[18?19]。

2.2 AHP主要步驟

（1）構造判斷矩陣

本文邀請了20名參與隧道運營管理的專家，采用1～9標度法進行打分，見表2，構造判斷矩陣A。以專家1為例，其準則層的指標重要性程度構造的判斷矩陣見表3。

（2）求最大特征值及特征向量

過渡段進行 階矩陣一致的充分必要條件為最大特征值_max =。

_ω= _ω

式中，為判斷矩陣；為特征值；ω為特征向量。

（２）一致性檢驗

2.3 層次單排序與層次總排序

根據(jù)準則層因素的權重結果可知，機電設備是最重要的評價要素，交通環(huán)境和土建特征其次，運營管理是最次要的因素。指標層因素的權重見表6。

3 建立綜合評價模型

3.1 模糊綜合評價

3.2 建立評價指標集與評語集

3.3 指標隸屬度確定

（1）定量指標隸屬度確定

（2）定性指標隸屬度確定

3.4 單因素模糊評價，建立模糊關系矩陣

3.5 多因素模糊評價

將利用層次分析法得到的權向量 與模糊關系矩陣 合成，得到各評價對象的模糊綜合評價結果向量? [20?21]。

3.6 綜合評價結果確定

4 實例分析

4.1 凹垌隧道概況

4.2 綜合評價

（1）模糊綜合評價

根據(jù)表1，結合上文柯西分布隸屬函數(shù)確定理論求得指標的隸屬度函數(shù)，歸一化后得到各指標的隸屬度矩陣為 ：

由上文可知各評價指標權重 ；根據(jù)式（9），求得凹垌隧道的綜合評價向量。

（2）綜合評價結果確定

4.3 評價結果分析與應用

為驗證動態(tài)變化的數(shù)據(jù)對評估結果的影響，調整相關動態(tài)指標數(shù)據(jù)，主要是模擬隧道照明在中午與夜間的狀況，對比分析調整前后的評價結果，從而驗證準確性。調整前后的數(shù)據(jù)見表9，調整后得到分數(shù) 。

從整個評估結果分析，凹垌隧道能耗水平為一般，其中洞口形式評價結果為差，這是目前首要考慮節(jié)能的環(huán)節(jié)；隧道墻面反射系數(shù)、照明布設方式、照明控制方式等為一般，是該隧道照明能耗管理中較薄弱的環(huán)節(jié)。

從調整數(shù)據(jù)后的結果分析，能耗水平得分減少，這一結果與夜間洞外亮度減少，交通量減少，照明需求相應減少，但誤差增大，能耗浪費增加的客觀實際情況相符。說明本文提出的運營隧道照明能耗水平動態(tài)評價，理論上可行，對于實時掌握隧道能耗水平有一定的參考意義。

根據(jù)以上分析可知，隧道運營單位應考慮智能照明控制方式、發(fā)光反光的高性能涂料、運用新型的遮光棚技術等降低洞內外亮度差，以及強化職工節(jié)能減排操作技能，如按照時間、天氣、交通量等進行照明回路的控制，從而降低照明能耗。對于沒有采用動態(tài)調光的隧道應通過實測洞外亮度來調整設計值，遇到交通量較少的情況，要根據(jù)實際情況按需進行調整，避免不必要的耗電。

5 結論

本文通過對運營公路隧道照明能耗影響因素、指標等級劃分及評價方法的調研，建立了基于AHP?FCE的運營公路隧道照明能耗水平動態(tài)評價模型，驗證了該模型的可行性，得到以下結論：

（1）通過分析運營公路隧道照明能耗的影響因素，再結合規(guī)范及調研資料的研究分析，建立了運營公路隧道照明能耗水平評價指標體系。

（2）通過研究目前的節(jié)能技術，結合規(guī)范及專家意見對評價等級范圍進行劃分，繼而提出AHP?FCE的運營公路隧道照明能耗水平動態(tài)評價模型。

（3）在能耗評價過程中將指標進行動靜態(tài)分類，既能實現(xiàn)動態(tài)評價，又能很好地與傳感器數(shù)據(jù)相結合，探索隧道照明能耗評價在“隧道智慧運營管理平臺”中的運用，通過實時能耗評價數(shù)據(jù)，為節(jié)能改造工作提供參考。

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